La piccola chiesa di Santa Maria Novella (1049), sorta su un precedente oratorio (Santa Maria delle Vigne, IX secolo), fu concessa nel 1221 ai dodici frati domenicani giunti da Bologna guidati da Fra' Giovanni da Salerno due anni prima. La prima pietra di un nuovo e più ampio edificio fu posta nel 1279, mutando l'orientamento con la facciata verso sud, e fu completata alla metà del XIV secolo. Il progetto si deve a due frati domenicani, Fra Sisto da Firenze e Fra' Ristoro da Campi. Partecipò all'edificazione anche Fra' Jacopo Passavanti ed il campanile si deve invece a fra Jacopo Talenti. La chiesa, sebbene già conclusa nel Trecento, fu tuttavia ufficialmente consacrata solo nel 1420 da papa Eugenio IV in vista alla città.

Su commissione della famiglia Rucellai, Leon Battista Alberti disegnò il grande Portale centrale, la trabeazione e il completamento superiore della facciata, in marmo bianco e verde scuro (terminata nel 1470). Tra il 1565 e il 1571 la chiesa fu rimaneggiata ad opera di Giorgio Vasari, con la rimozione del recinto del coro e la ricostruzione degli altari laterali, che comportò l'accorciamento delle finestre gotiche. Tra il 1575 e il 1577 fu costruita da Giovanni Dosio la cappella Gaddi. Un ulteriore rimaneggiamento si ebbe tra il 1858 e il 1860 ad opera dell'architetto Enrico Romoli.

Nella piazza retrostante la chiesa ha sede l'omonima stazione ferroviaria, una delle più importanti opere del Razionalismo italiano degli anni trenta (Michelucci ed altri). L'edificio, per la sua dislocazione dietro l'abside della chiesa, suscitò all'epoca polemice per il suo stile moderno, ma invece, rappresenta un esempio di esemplare integrazione tra nuovo ed antico.

Un importante restauro è stato effettuato nel 1999 con i fondi del giubileo, inseguito al quale per l'accesso alla chiesa è stato istituito un biglietto d'ingresso. Da aprile 2006 la facciata è di nuovo in restauro.